三种植物对低温胁迫响应的生理生化特性

刘珍妮,张翠英,2,孙亚军,沈应时,张敏

(1.徐州工程学院 环境工程学院,江苏 徐州 221111;2.中国矿业大学 环境与测绘学院,

江苏 徐州 221116)

三种植物对低温胁迫响应的生理生化特性

刘珍妮1,张翠英1,2,孙亚军1,沈应时1,张敏1

(1.徐州工程学院 环境工程学院,江苏 徐州 221111;2.中国矿业大学 环境与测绘学院,

江苏 徐州 221116)

摘要：以麦冬(Ophiopogon japonicus)、吊兰(Chlorophytum comosum(Thunb.)Baker)和西伯利亚鸢尾(Iris sibirica)为试验材料,研究了低温胁迫对3种植物的叶绿素含量、CAT活性和丙二醛(MDA)含量等生理生化特性的影响。结果表明:低温抑制种植物生长,随着温度的降低和低温时间的延长,植物的叶绿素含量随之降低,而CAT活性和MDA含量都呈上升趋势,只是变化幅度不尽相同。综合分析显示,3种植物的抗寒性强弱依次为西伯利亚鸢尾>麦冬>吊兰。

关键词：麦冬;吊兰;西伯利亚鸢尾;低温胁迫

收稿日期：2015-07-06

基金项目：国家住房和城乡建设部科学技术计划项目(编号:2012-K-79)；国家级大学生创新训练计划项目(编号:201411998038Z)；江苏省

作者简介：刘珍妮(1994—)，女，江苏徐州人,徐州工程学院环境工程学院大学生。

通讯作者：张翠英(1978—),女,江苏徐州人,博士,主要从事水生态修复方面的研究工作。

中图分类号：Q556

文献标识码：A

文章编号：编号：1674-9944(2015)09-0041-03

Abstract:Taking Ophiopogon japonicus,Chlorophytum comosum Baker and Iris sibirica as the experimental materials,the article studies the effects of low temperature stress on three plants' physiological-biochemical characteristics,including chlorophyll content,CAT activity and malonaldehyde (MDA) content.The results show that low temperature restrains the growth of plants.With the temperature dropping and time extending,the chlorophyll content of plants decreases continually,but the CAT activity and MDA content increase with different rangeabilities.Through a comprehensive analysis,the cold resistance of the three plants follows the sequence from strong to weak,namely Iris sibirica> Ophiopogon japonicus > Chlorophytum comosum Baker.

高校自然科学基金项目(编号:13KJD610003)资助

1引言

低温胁迫是植物栽培中常常遇到的一种灾害,它不仅会导致植物产量的降低,严重时还会造成植株的死亡[1]。近年来,由于春季经常出现反常现象,气象大幅波动影响植物的生长。而植物组织经受逆境,会通过代谢反应阻止、降低或者修复逆境造成的损伤,使其保持正常的生理活动。研究表明植物的抗冻力即抗寒性随着季节的变化起伏极大,在自然界,植物要经过秋冬的抗寒锻炼,在生命过程中可能发生一系列的深刻变化,然后才能具备最大的抗冻抗寒能力[2]。因此,研究低温条件下,植物的生理生化的响应,了解植物抗寒机制及其预防措施,具有重要的理论和实际意义。

本文研究了麦冬、吊兰和西伯利亚鸢尾在低温条件下生长情况,分析了麦冬、吊兰和西伯利亚鸢尾3种植物在低温胁迫下叶绿素含量、CAT活性和MDA含量3个指标变化,探讨低温胁迫下麦冬、吊兰、西伯利亚鸢尾的生理特性和抗寒机制,为低温胁迫下植物抗寒性生理生化指标的分析提供理论基础,从而也为不同地区草坪草种的选择提供理论基础。

2材料与方法

2.1　实验材料

实验所用植物麦冬、吊兰采自徐州市云龙湖,西伯利亚鸢尾购自市场,采集时间为2014年11月。实验前选择健壮、完整的植株进行清洗,并去除枯黄和衰败的叶子,整理后放置备用。

2.2　实验设计

将所准备的植物移栽入徐州工程学院敬德楼三楼人工湿地中。人工湿地基质用林下表和土黄心土,并加入大量碎石子同时注入校园人工湖水构成植物生长的模拟湿地环境。用人工湖中的水进行浇灌,使其适应新环境。之后的实验中,植物在自然条件下生长,记录每天0:00、7:00、12:00和18:00四个时刻的温度,取平均温度作为试验温度。

试验从2014年12月08日至2015年1月12日,每隔7日取样测定并记录当日温度,每次取样时间为次日清晨7:00~7:30。取健康叶片,用自来水冲洗污垢后,用蒸馏水洗净,自然晾干,备用。每次取样后2h内测定各项指标,称重后分别测定其叶绿素含量、CAT活性和MDA含量。为了使本次实验更具对比性,以3种植物前期4月份常温下(16 ℃)测定的指标作为对照(表1),从而得出3种植物的生理生化特性变化及抗寒性比较。

表1　3种植物常温下的生理生化指标

2.3　指标测定

叶绿素含量测定:用浸提法测定叶绿素含量[3],所测含量为植物叶片鲜质量含量;CAT活性测定:采用过氧化氢法测定[4];MDA含量测定:采用硫代巴比妥酸法测定[4]。每个指标重复测3次,结果取平均值,统计分析用SPSS17.0软件。

3结果与分析

3.1　低温胁迫下麦冬、吊兰和西伯利亚鸢尾的叶绿素含量变化

叶绿素是植物光合作用重要指标之一,叶绿素含量越高说明植物光合作用越强,有利于植物生长积累有机物。由图1可知,低温胁迫下3种植物的叶绿素含量均低于常温下的含量。在自然降温过程中(相同环境条件),西伯利亚鸢尾、麦冬和吊兰均呈现先上升后下降趋势,可能是植物为适应新的寒冷环境,去维持正常的光合作用,从而叶绿素有所增加;之后的下降表明在持续的低温胁迫下,光合作用减弱,抑制了叶绿素的合成。在整个实验过程中,麦冬和西伯利亚鸢尾的叶绿素含量明显高于吊兰,在实验初期,西伯利亚鸢尾的叶绿素含量为1.35 mg/g,麦冬的叶绿素含量为0.66 mg/g,吊兰的叶绿素含量为0.56 mg/g,在持续一个月的低温后,西伯利亚鸢尾下降的不明显,叶绿素含量为0.85 mg/g,仅下降26.0%;麦冬最后的叶绿素含量为0.42 mg/g,下降了36.4%;而吊兰最后的叶绿素含量仅为0.14 mg/g,下降了75%。因此,在低温胁迫下,3种植物组织内叶绿素含量表现为:西伯利亚鸢尾>麦冬>吊兰。

图1　低温胁迫下麦冬、吊兰和西伯利亚鸢尾的叶绿素含量　　变化

3.2　低温胁迫下麦冬、吊兰和西伯利亚鸢尾的CAT活性变化

CAT广泛存在于植物组织中,作为膜保护系统酶,它与呼吸作用、光合作用以及生长素的氧化等都有密切相关,能使体内某些氧化酶产物发生分解,在植物防御反应及抗衰老过程中起重要作用,其活性和含量的增加可以使植物抵抗和避免低温危害的能力增强。由图2看出,3种植物在低温胁迫下的CAT活性高于常温下的CAT活性。在自然条件下,随着温度的降低,CAT活性呈先上升后下降趋势。西伯利亚鸢尾在试验初期短时间内低温胁迫下就引起CAT活性的突然上升,由88.85 U/(g.min)上升到278.4 U /(g.min),这可能由于植物对低温胁迫适应性的表现;而后逐渐下降,在1月5日出现再次回升后又下降。麦冬在试验期间CAT活性逐渐上升,同样在1月5日出现峰值282.69 U /(g.min),之后下降到216.56 U/(g.min);吊兰则从实验开始时就逐渐下降,也同样在1月5日出现回升,之后也下降到71.23 U/(g.min),整体波动不大,可能是CAT活性的提高有利于抵抗胁迫下产生的H2O2对植物的伤害;但随着时间的推移,零下低温更容易发生冻害,细胞膜发生严重的膜脂过氧化作用,过氧化产物就会影响CAT活性,使其明显减弱[5]。因此,3种植物的CAT活性为西伯利亚鸢尾>麦冬>吊兰。

3.3　低温胁迫下麦冬、吊兰和西伯利亚鸢尾的MDA含量变化

大量研究结果表明,丙二醛(MDA)是膜脂过氧化作用的主要产物之一,具有很强的细胞毒性,反映植物在逆境下膜结构的损伤程度[6,7]。从图3可以看出,低温胁迫下的3种植物的MDA都比常温下的高。丙二醛含量总体上随温度下降及低温胁迫时间延长而逐渐增加。西伯利亚鸢尾和麦冬的MDA含量呈先上升后下降趋势,在12月5日~12月22日达到最大值,两者相差不甚明显,但从整体上看,西伯利亚鸢尾的MDA含量略低于麦冬,而吊兰则明显在整个低温胁迫期间呈持续上升趋势,最高达到3.97 mmol/gFW。由此推断出植物体内MDA含量越高,说明植物受伤害程度越明显,这可能就是低温胁迫下植物主要的生理反应及损伤机理。

图2　低温胁迫下麦冬、吊兰和西伯利亚鸢尾的CAT活性　　 变化

图3　低温胁迫下麦冬、吊兰和西伯利亚鸢尾的MDA含量　　 变化

4讨论

植物在冷害下,膜脂发生相变,膜流动性降低,透性增加,膜结合酶活力失调,这些变化会使植物的主动吸收和运输能力下降,溶质向胞外渗漏,代谢失调,中间有毒产物累积,导致植物受害死亡[8]。本文通过研究低温胁迫下麦冬、吊兰和西伯利亚鸢尾的情况,进而得出低温对植物生理生化的影响。

已有研究表明,叶绿体是植物体内冷敏感性很强的一个亚细胞器,低温对等一系列重要的生理生化过程都有明显影响,从而导致植物光合作用强度的下降。已有研究表明低温影响了光、植物光合色素含量、叶绿体亚显微结构、光合能量代谢及PS二活性等[9-11],膜系统收到破坏,从而制约植物的光合作用,同时低温还影响光合电子传递和光合磷酸化以及暗反应的有关酶系等[12-14]。本研究在自然条件下,当温度升高时,植物体内叶绿素含量随之升高;反之,当温度下降时,植物体内叶绿素含量随之下降。从整体趋势上看西伯利亚鸢尾的叶绿素水平最高,从而反映出细胞代谢水平较其他两种植物高。而且研究表明CAT活性对温度的降低比较敏感,CAT活性在低温处理下的变化规律也不是一成不变的,不同植物有其各自的响应[6]。在本研究中,西伯利亚鸢尾和麦冬在抗寒机制作用下均有先上升后下降趋势,而吊兰则整体波动不大,说明植物体内的CAT酶活性增高是降低H2O2在体内过量积累从而减少伤害,其活性大小也可以反映出植物的抗寒性。同时,随着低温胁迫时间延长,植物膜脂过氧化产物丙二醛(MDA)大量积累,会造成膜透性上升,电解质外渗,使电导率值变大,导致细胞膜系统的严重损伤。而且从本文研究看出抗寒性强的西伯利亚鸢尾其MDA含量增加的少,抗寒较弱的吊兰其MDA含量增加量较大。本实验时间跨度较短,因而3种植物在低温条件下长期生长的生理生化响应需进一步研究。

5结语

(1)低温胁迫下植物叶绿素含量基本呈下降趋势,但总体上叶绿素含量高低依次为西伯利亚鸢尾>麦冬>吊兰。

(2)低温胁迫下植物CAT活性大致有先升高后下降的趋势,同时CAT活性大小依次为西伯利亚鸢尾>麦冬>吊兰。

(3)低温胁迫下植物丙二醛含量变化呈逐渐积累的趋势,而且MDA含量表现为吊兰>麦冬>西伯利亚鸢尾。

(4)综合分析本文所研究的三个指标发现,低温胁迫下麦冬、吊兰、西伯利亚鸢尾的抗寒性强弱依次为西伯利亚鸢尾>麦冬>吊兰。

影响植物抗寒性的因素较多,其抗寒机理错综复杂,植物的抗寒力受环境的影响和塑造较大,因此对植物的抗寒力评估时,必须多方面综合考虑,同时结合田间观察,才能为全面评价其抗寒能力,从而提供可靠的依据。

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Physiological-biochemical Characteristics of Three Plants Responding to

Low Temperature Stress

Liu Zhenni1,Zhang Cuiying1,2,Sun Yajun1,Shen Yingshi1,Zhang min1

(1.SchoolofEnvironmentEngineering,XuzhouInstituteofTechnology,Xuzhou

221111,China;2.SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics,China

UniversityofminingandTechnology,Xuzhou221116,China)

Key words:Ophiopogon japonicus;Chlorophytum comosum Baker;Iris sibirica;low temperature stress